太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器及制作方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器及制作方法，所述同心圓環(huán)光耦合器包括形成于器件材料表面的多級(jí)同心圓環(huán)以及覆蓋于各所述同心圓環(huán)表面的反射金屬層，所述多級(jí)同心圓環(huán)呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)的半徑rk=(2k-1)λ0/(4n)，其中，k為同心圓環(huán)對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ0為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，n為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料的折射率。本發(fā)明的同心圓環(huán)光耦合器可直接制作于器件表面，與現(xiàn)有常用的光柵結(jié)構(gòu)光耦合器相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)會(huì)聚的功能，可有效提升器件有源區(qū)單位體積內(nèi)的光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)器件性能的大幅度提升。
【專利說(shuō)明】太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器及制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于半導(dǎo)體光電器件【技術(shù)領(lǐng)域】，特別是涉及一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器及制作方法。
【背景技術(shù)】
[0002]太赫茲(THz)探測(cè)器是各項(xiàng)THz研究和各種THz應(yīng)用系統(tǒng)的關(guān)鍵器件。THz量子阱光電探測(cè)器(QWP)因其具有體積小、易集成、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，被廣泛認(rèn)為是最具發(fā)展?jié)摿Φ腡Hz探測(cè)器之一。從目前應(yīng)用需求角度看，提高器件的靈敏度及工作溫度是未來(lái)THzQffP的主要發(fā)展方向。
[0003]由于量子力學(xué)的限制，太赫茲量子阱光電探測(cè)器(THz QffP)對(duì)垂直照射在其表面的入射光幾乎沒(méi)有響應(yīng)，因此需要特殊的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)器件的光耦合。常用的光耦合方式可分為直接耦合和光耦合器耦合兩大類。直接耦合包括了 45度角端面入射和布魯斯特角方向入射兩種，這兩種方式非常簡(jiǎn)單有效，適合在實(shí)驗(yàn)室中對(duì)器件的性能進(jìn)行快速表征，但是缺點(diǎn)在于耦合效率偏低，而且這種方式不利于構(gòu)建器件的焦平面陣列，從而限制了成像方面的應(yīng)用。光耦合器耦合方式則很好的克服了這些缺點(diǎn)，不僅能有效提升耦合效率，還能夠?qū)崿F(xiàn)器件在正入射條件下的工作，對(duì)器件的應(yīng)用沒(méi)有任何限制。因此，開發(fā)一款高性能的光耦合器對(duì)實(shí)現(xiàn)高靈敏度的THz QffP具有非常重要的意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器及制作方法，已實(shí)現(xiàn)一種具有會(huì)聚功能，并可有效提升器件有源區(qū)單位體積內(nèi)的光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)器件性能的大幅度提升的太赫茲量子阱光電探測(cè)器。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器，所述同心圓環(huán)光耦合器包括形成于器件材料表面的多級(jí)同心圓環(huán)以及覆蓋于各所述同心圓環(huán)表面的反射金屬層，所述多級(jí)同心圓環(huán)呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)的半徑1\=(21^-1)入(|/(411)，其中，k為同心圓環(huán)對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ ^為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，η為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料的折射率。
[0006]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器的一種優(yōu)選方案，所述同心圓環(huán)光耦合器至少包括7級(jí)同心圓環(huán)。
[0007]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器的一種優(yōu)選方案，所述多級(jí)同心圓環(huán)中，凸同心圓環(huán)與凹同心圓環(huán)的高度差為0.5~2 μ m。
[0008]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器的一種優(yōu)選方案，所述反射金屬層為Ti/Pt/Au金屬疊層。
[0009]本發(fā)明還提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，包括步驟:
[0010]I)提供器件材料，于所述器件材料表面刻蝕出多級(jí)同心圓環(huán)，所述多級(jí)同心圓環(huán)呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)的半徑rk=(2k-l) XcZGn)，其中，k為同心圓環(huán)對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ ^為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，n為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料的折射率；
[0011]2)于圓心附近區(qū)域形成遮擋層，采用質(zhì)子注入的方法將阻擋層以外的器件材料區(qū)域中和，保留圓心附近區(qū)域?yàn)槠骷挠行^(qū)域；
[0012]3)于所述多級(jí)同心圓環(huán)表面形成反射金屬層。
[0013]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法的一種優(yōu)選方案，所述多級(jí)同心圓環(huán)的級(jí)數(shù)不少于7。
[0014]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法的一種優(yōu)選方案，所述多級(jí)同心圓環(huán)中，凸同心圓環(huán)與凹同心圓環(huán)的高度差為0.5~2 μ m。
[0015]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟2中，所述遮擋層的形狀為半徑等于第二級(jí)同心圓環(huán)的圓形。
[0016]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法的一種優(yōu)選方案，步驟3)采用蒸鍍的方法于所述多級(jí)同心圓環(huán)表面形成Ti/Pt/Au金屬疊層，作為反射金屬層。
[0017]作為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法的一種優(yōu)選方案，所述器件材料采用分子束外延的方法形成于半絕緣GaAs襯底表面。
[0018]如上所述，本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器及制作方法，所述同心圓環(huán)光耦合器包括形成于器件材料表面的多級(jí)同心圓環(huán)以及覆蓋于各所述同心圓環(huán)表面的反射金屬層，所述多級(jí)同心圓環(huán)呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)的半徑rk=(2k-l) AcZGn),其中，k為同心圓環(huán)對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，Aci為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，η為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料的折射率。本發(fā)明的同心圓環(huán)光耦合器可直接制作于器件表面，與現(xiàn)有常用的光柵結(jié)構(gòu)光耦合器相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)會(huì)聚的功能，可有效提升器件有源區(qū)單位體積內(nèi)的光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)器件性能的大幅度提升。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0019]圖1a~圖1b顯示為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，圖1b為圖1a中Α-Α’截面的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2~圖3b顯示為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法步驟I)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖4~圖5顯示為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法步驟2)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖6顯示為本發(fā)明的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法步驟3)所呈現(xiàn)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]元件標(biāo)號(hào)說(shuō)明
[0024]10器件材料
[0025]20 同心圓環(huán)
[0026]201凸同心圓環(huán)
[0027]202凹同心圓 環(huán)
[0028]30遮擋層
[0029]40反射金屬層【具體實(shí)施方式】
[0030]以下通過(guò)特定的具體實(shí)例說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員可由本說(shuō)明書所揭露的內(nèi)容輕易地了解本發(fā)明的其他優(yōu)點(diǎn)與功效。本發(fā)明還可以通過(guò)另外不同的【具體實(shí)施方式】加以實(shí)施或應(yīng)用，本說(shuō)明書中的各項(xiàng)細(xì)節(jié)也可以基于不同觀點(diǎn)與應(yīng)用，在沒(méi)有背離本發(fā)明的精神下進(jìn)行各種修飾或改變。
[0031]請(qǐng)參閱圖1a~圖6。需要說(shuō)明的是，本實(shí)施例中所提供的圖示僅以示意方式說(shuō)明本發(fā)明的基本構(gòu)想，遂圖式中僅顯示與本發(fā)明中有關(guān)的組件而非按照實(shí)際實(shí)施時(shí)的組件數(shù)目、形狀及尺寸繪制，其實(shí)際實(shí)施時(shí)各組件的型態(tài)、數(shù)量及比例可為一種隨意的改變，且其組件布局型態(tài)也可能更為復(fù)雜。
[0032]實(shí)施例1
[0033]如圖1a~圖1b所示，其中，圖1b為圖1a中A_A’截面的結(jié)構(gòu)示意圖，本實(shí)施例提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器，所述同心圓環(huán)光耦合器包括形成于器件材料10表面的多級(jí)同心圓環(huán)20以及覆蓋于各所述同心圓環(huán)20表面的反射金屬層40，所述多級(jí)同心圓環(huán)20呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)20的半徑rk=(2k-l) AQ/(4n)，其中，k為同心圓環(huán)20對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ ^為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，n為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料10的折射率。[0034]作為示例，為了有效提升光強(qiáng)，所述同心圓環(huán)光耦合器至少包括7級(jí)同心圓環(huán)20。
[0035]作為示例，所述多級(jí)同心圓環(huán)20中，凸同心圓環(huán)201與凹同心圓環(huán)202的高度差為 0.5 ~2 μ m。
[0036]作為示例,所述反射金屬層40為Ti/Pt/Au金屬疊層,在本實(shí)施例中，所述Ti/Pt/Au金屬疊層中，各層金屬的厚度分別為25nm/55nm/300nm。
[0037]具體地，以一個(gè)峰值響應(yīng)頻率&=5.27THz的太赫茲量子阱光電探測(cè)器為例，進(jìn)一步說(shuō)明本實(shí)施例的【具體實(shí)施方式】，所述太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料10為GaAs，圖1a中兩條虛線之間顯示為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的有源區(qū)所述太赫茲量子阱光電探測(cè)器表面形成有同心圓環(huán)光耦合器。
[0038]在5.27THz, GaAs的折射率n ^ 3.7877，可計(jì)算得到太赫茲量子阱光電探測(cè)器的在器件材料10中的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)λ 0/n ^ 15 μ mo所以，根據(jù)公式rk=(2k_l) λ J (4η),可以得到各級(jí)同心圓環(huán)20的半徑:第一級(jí)凹同心圓環(huán)202半徑r1=3.75 μ m，第二級(jí)凸同心圓環(huán)201半徑r2=ll.25μπι，第三級(jí)凹同心圓環(huán)202半徑r3=18.75 μ m……，在本實(shí)施例中，所述同心圓環(huán)20的級(jí)數(shù)為30，最終可得，第三十級(jí)凸同心圓環(huán)201半徑r3(l=221.25 μ m。另外，在本實(shí)施例中，凸同心圓環(huán)201與凹同心圓環(huán)202的高度差為1μm。
[0039]實(shí)施例2
[0040]如圖2~圖6所示，本實(shí)施例還提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，包括步驟:
[0041]如圖2~圖3b所示，其中，圖3b為圖2a所示結(jié)構(gòu)的俯視圖，首先進(jìn)行步驟1)，提供器件材料10，于所述器件材料10表面刻蝕出多級(jí)同心圓環(huán)20，所述多級(jí)同心圓環(huán)20呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)20的半徑rk=(2k-l) λ Q/(4n)，其中，k為同心圓環(huán)20對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ ^為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，n為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料10的折射率。
[0042]作為示例，所述器件材料10采用分子束外延的方法形成于半絕緣GaAs襯底表面。
[0043]作為示例，所述多級(jí)同心圓環(huán)20的級(jí)數(shù)不少于7。
[0044]作為示例，所述多級(jí)同心圓環(huán)20中，凸同心圓環(huán)201與凹同心圓環(huán)202的高度差為 0.5 ~2 μ m。
[0045]具體地，以一個(gè)峰值響應(yīng)頻率&=5.27THz的太赫茲量子阱光電探測(cè)器為例，進(jìn)一步說(shuō)明本步驟的【具體實(shí)施方式】，所述太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料10為GaAs，圖2中兩條虛線之間顯示為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的有源區(qū)，所述太赫茲量子阱光電探測(cè)器表面形成有同心圓環(huán)光耦合器。
[0046]在5.27THz, GaAs材料的折射率n ^ 3.7877，可計(jì)算得到太赫茲量子阱光電探測(cè)器的在器件材料10中的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)λ 0/n ^ 15 μ m。所以，根據(jù)公式rk=(2k_l) λ 0/(4η)，可以得到各級(jí)同心圓環(huán)20的半徑:第一級(jí)凹同心圓環(huán)202半徑r1=3.75 μ m，第二級(jí)凸同心圓環(huán)201半徑r2=ll.25μπι，第三級(jí)凹同心圓環(huán)202半徑r3=18.75 μ m......，在本實(shí)施例中，
所述同心圓環(huán)20的級(jí)數(shù)為30，最終可得，第三十級(jí)凸同心圓環(huán)201半徑r3(l=221.25 μ m。另外，在本實(shí)施例中，凸同心圓環(huán)201與凹同心圓環(huán)202的高度差為Ιμπι。
[0047]如圖4~圖5所示，接著進(jìn)行步驟2)，于圓心附近區(qū)域形成遮擋層30，采用質(zhì)子注入的方法將阻擋層以外的器件材料10區(qū)域中和，保留圓心附近區(qū)域?yàn)槠骷挠行^(qū)域。質(zhì)子注入的方法將阻擋層以外的器件材料10區(qū)域中和，可以有效提升器件有源區(qū)內(nèi)的平均光強(qiáng)。
[0048]在本實(shí)施例中，所述遮擋層30的形狀為半徑等于第二級(jí)同心圓環(huán)20的圓形。當(dāng)然，所述遮擋層30的形狀和尺寸可以根據(jù)器件性能需求進(jìn)行調(diào)整，并不限定于此處所列舉的一種。
[0049]作為示例，所述遮擋層30為光刻膠或其它種類的掩膜版。
[0050]如圖6所示，最后進(jìn)行步驟3)于所述多級(jí)同心圓環(huán)20表面形成反射金屬層40。
[0051]作為示例，采用蒸鍍的方法于所述多級(jí)同心圓環(huán)20表面形成Ti/Pt/Au金屬疊層，作為反射金屬層40。在本實(shí)施例中，所述Ti/Pt/Au金屬疊層中，各層金屬的厚度分別為25nm/55nm/300nm。在所述多級(jí)同心圓環(huán)20表面形成反射金屬層40,可以有效提高光強(qiáng)。
[0052]本實(shí)施例對(duì)依據(jù)本實(shí)施例制作方法制作的太赫茲量子阱光電探測(cè)器內(nèi)部的電磁場(chǎng)分布情況進(jìn)行模擬，數(shù)據(jù)顯示，當(dāng)THz入射光從下表面垂直入射時(shí)，在同心圓環(huán)的中心處出現(xiàn)了明顯的焦點(diǎn)，焦點(diǎn)附近區(qū)域內(nèi)的THz場(chǎng)得到了顯著增強(qiáng)。經(jīng)商用有限元分析軟件Comsol求解分析，集成同心圓環(huán)光耦合器的太赫茲量子阱光電探測(cè)器，其有源區(qū)內(nèi)的平均光強(qiáng)可達(dá)到普通一維光柵耦合太赫茲量子阱光電探測(cè)器的約20倍，可見，本發(fā)明的具有同心圓環(huán)光耦合器的太赫茲量子阱光電探測(cè)器可以實(shí)現(xiàn)器件性能的大幅度提升。
[0053]如上所述，本發(fā)明提供一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器及制作方法，所述同心圓環(huán)光耦合器包括形成于器件材料10表面的多級(jí)同心圓環(huán)20以及覆蓋于各所述同心圓環(huán)20表面的反射金屬層40，所述多級(jí)同心圓環(huán)20呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)20的半徑rk=(2k-l) AQ/(4n)，其中，k為同心圓環(huán)20對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ。為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，η為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料10的折射率。本發(fā)明的同心圓環(huán)光耦合器可直接制作于器件表面，與現(xiàn)有常用的光柵結(jié)構(gòu)光耦合器相比，本發(fā)明可實(shí)現(xiàn)會(huì)聚的功能，可有效提升器件有源區(qū)單位體積內(nèi)的光強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)器件性能的大幅度提升。所以，本發(fā)明有效克服了現(xiàn)有技術(shù)中的種種缺點(diǎn)而具高度產(chǎn)業(yè)利用價(jià)值。
[0054]上述實(shí)施例僅例示性說(shuō)明本發(fā)明的原理及其功效，而非用于限制本發(fā)明。任何熟悉此技術(shù)的人士皆可在不違背本發(fā)明的精神及范疇下，對(duì)上述實(shí)施例進(jìn)行修飾或改變。因此，舉凡所屬【技術(shù)領(lǐng)域】中具有通常知識(shí)者在未脫離本發(fā)明所揭示的精神與技術(shù)思想下所完成的一切等效修飾或改變，仍應(yīng)由本發(fā)明的權(quán)利要求所涵蓋。
【權(quán)利要求】
1.一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器，其特征在于，所述同心圓環(huán)光耦合器包括形成于器件材料表面的多級(jí)同心圓環(huán)以及覆蓋于各所述同心圓環(huán)表面的反射金屬層，所述多級(jí)同心圓環(huán)呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)的半徑rk=(2k-l) Xci/(4η)，其中，k為同心圓環(huán)對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ 0為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，η為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料的折射率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器，其特征在于:所述同心圓環(huán)光耦合器至少包括7級(jí)同心圓環(huán)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器，其特征在于:所述多級(jí)同心圓環(huán)中，凸同心圓環(huán)與凹同心圓環(huán)的高度差為0.5~2 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的同心圓環(huán)光耦合器，其特征在于:所述反射金屬層為Ti/Pt/Au金屬疊層。
5.一種太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，其特征在于:包括步驟: 1)提供器件材料，于所述器件材料表面刻蝕出多級(jí)同心圓環(huán)，所述多級(jí)同心圓環(huán)呈凹凸相間排列，各所述同心圓環(huán)的半徑rk=(2k-l)其中，k為同心圓環(huán)對(duì)應(yīng)的級(jí)數(shù)，λ ο為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的峰值響應(yīng)波長(zhǎng)，η為太赫茲量子阱光電探測(cè)器的器件材料的折射率； 2)于圓心附近區(qū)域形成遮擋層，采用質(zhì)子注入的方法將阻擋層以外的器件材料區(qū)域中和，保留圓心附近區(qū)域?yàn)槠骷挠行^(qū)域； 3)于所述多級(jí)同心圓環(huán)表面形成反射金屬層。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，其特征在于:所述多級(jí)同心圓環(huán)的級(jí)數(shù)不少于7。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，其特征在于:所述多級(jí)同心圓環(huán)中，凸同心圓環(huán)與凹同心圓環(huán)的高度差為0.5~2 μ m。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，其特征在于:步驟2中，所述遮擋層的形狀為半徑等于第二級(jí)同心圓環(huán)的圓形。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，其特征在于:步驟3)采用蒸鍍的方法于所述多級(jí)同心圓環(huán)表面形成Ti/Pt/Au金屬疊層，作為反射金屬層。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的太赫茲量子阱光電探測(cè)器的制造方法，其特征在于:所述器件材料采用分子束外延的方法形成于半絕緣GaAs襯底表面。
【文檔編號(hào)】H01L31/02GK103928557SQ201410143655
【公開日】2014年7月16日 申請(qǐng)日期:2014年4月11日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月11日
【發(fā)明者】張戎, 曹俊誠(chéng), 郭旭光 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所